3차원 포토리소그래피 개발…미세패턴 제조 가능

카이스트 연구팀 개발

▲새 포토리소그래피 공정을 이용해 형성된 미세 구조 및 패턴.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 눈에 보이지 않는 미세패턴 제조 공정에 응용되는 3차원 포토리소그래피 공정 기술이 개발됐다.

카이스트(KAIST, 총장 강성모) 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 산소의 확산 원리를 이용해 3차원의 형상을 구현할 수 있는 포토리소그래피(photolithography) 공정 기술을 개발했다. 포토리소그래피는 빛을 노출시켜 원하는 상을 얻는 필름 카메라의 원리와 같다. 감광물질(photoresist)을 원판에 바르고 자외선을 노출시켜 빛을 받은 부분만 굳게 만든 뒤 나머지 부분은 깎아내는 방식이다. 반도체, 집적회로 등 미세패턴을 다루는 대부분의 산업계에서 널리 사용되고 있다.

기존 포토리소그래피 공정은 자외선이 항상 수직방향으로 내리쬐기 때문에 빛의 노출 방향에 따라 형성되는 미세패턴이 2차원으로만 제조되는 한계가 있었다. 연구팀은 3차원 패턴 제조를 위해 산소를 사용했다. 일반적으로 빛을 이용한 중합반응에서 산소는 물질이 굳게 되는 경화작용을 방해하는 요소로 알려져 있다. 김 교수 연구팀은 이 특성을 역으로 이용했다.

일부 영역에만 자외선을 노출시키면 그 부분만 산소의 농도가 감소하게 되고 그 외 영역의 산소의 농도는 유지된다. 농도의 차이로 인해 자외선이 노출된 영역으로 산소의 확산 현상이 발생한다. 이를 통해 기존에는 동일한 속도로 발생한 경화작용이 시간차를 두고 이뤄진다. 물질의 형성이 일정하지 않기 때문에 미세패턴의 모양도 다양해지고 확산 방향과 속도를 의도적으로 조절함으로써 3차원 형상의 패턴 제작도 가능해진다.

이런 신규 기술을 연속적으로 융합해 사용하면 더욱 복잡한 형상과 다양한 성분으로 구성이 가능하다. 자성 입자를 삽입해 자기장을 이용한 의료용 패치를 만들거나 온도에 따라 팽창하고 수축하는 젤을 삽입해 곡면을 갖는 형태의 필름도 제작할 수 있다.

이번 기술을 응용하면 디스플레이 소자를 포함한 다양한 전자기기의 광학소자, 패치형 약물 전달체, 물과 기름에 젖지 않는 표면 등 3차원 미세패턴과 미세입자 연구를 통해 구현 가능한 기술들의 상용화가 기대된다. 김 교수는 "3D 프린팅 기술은 혁신적인데 미세형상 제어와 대량생산이 어려운 반면 이 기술은 3차원의 미세패턴을 대량생산할 수 있다"며 "대부분의 학계와 산업계에서 포토리소그래피 장비를 쓰기 때문에 큰 파급효과가 있을 것"이라고 말했다.

연구팀은 연구 결과를 2013년 불의의 사고로 고인이 된 콜로이드와 유체역학 분야의 세계적 대가 고(故) 양승만 교수(前 KAIST 생명화학공학과 교수)에게 헌정했다. 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인 판에 실렸다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr